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人造太阳|世界最大“人造太阳”正式安装，受控核聚变研究走过了哪些路程？

国际热核聚变实验堆（ITER）日前正式在法国开启工程安装工作 。
人们把可控核聚变实验装置称为“人造太阳” 。 ITER是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程计划 。 欧盟、中国、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度在内的34个国家和组织参与了这个计划 。 参与方共同出资 ， 在法国南部的卡特拉舍建造世界上第一个核聚变实验堆 ， 全面验证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性 ， 这是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步 。 本报特约中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所副所长、研究员徐国盛向读者解答相关问题 。
人造太阳|世界最大“人造太阳”正式安装，受控核聚变研究走过了哪些路程？
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当地时间7月28日 ， 国际热核聚变实验堆（ITER）计划重大工程安装在法国马诺斯克正式启动 。
问：要实现受控热核聚变 ， ITER最关键的装置是什么？
答：可控核聚变意味着清洁和近乎无限的能源供应 ， 一直都被寄予“解决全球能源问题”的期望 。
核聚变具有固有的安全性 。 核聚变的燃料和产物都不具有放射性 。 其产物是氦气 ， 是一种无毒、无害的惰性气体 ， 不产生长寿命放射性核废料 。 核聚变反应不存在失控的风险 ， 因为反应条件十分苛刻 ， 极端情况下核聚变反应也会自行终止 。 核聚变装置虽然运转的时候产生辐射 ， 但是被屏蔽在装置里 ， 对环境没有影响 。 此外 ， 核聚变不产生二氧化碳等大气污染物 。 因此 ， 核聚变是解决人类能源危机、战胜环境污染问题的重要途径 。
但是 ， 可控核聚变有一个巨大的困难 ， 必须把聚变材料加热到上亿度的高温才能产生核聚变 ， 可是用什么容器来装载温度这么高的聚变材料而不被熔化呢？
对于这个问题 ， 目前的主流方法是把聚变燃料电离成等离子体（原子核和电子分离 ， 都可以自由流动） ， 用超强磁场约束等离子体 ， 让它们悬空高速旋转 ， 不跟容器直接接触 。
托卡马克就是用来实现可控核聚变反应的一种装置 。 高温下核聚变燃料处于等离子体状态 ， 托卡马克用线圈产生强大的磁场来约束等离子体 ， 避免高温等离子体与装置内壁直接接触 。 尽管等离子体芯部的温度高达几亿摄氏度 ， 但装置内壁上的温度只有不到1000摄氏度 。
为了避免带电粒子沿着磁力线的损失 ， 托卡马克将磁场弯曲成环形 ， 核聚变反应在一个环形真空室里发生 ， 形状类似一个平躺着的轮胎 。 为了降低线圈消耗的能量 ， 实现稳态运行 ， 托卡马克采用超导材料来制造线圈 ， 工作在零下269摄氏度的极低温条件下 。 同一个装置里既要实现极低温又要实现上亿度的高温 ， 可谓冰火两重天 。 与人类发明的其它类型的核聚变装置相比 ， 目前看来 ， 托卡马克等离子体的参数最接近发生核聚变反应的条件 ， 因此最有希望率先实现聚变能的和平利用 。
问：托卡马克这种关键装置经历了怎样的发展过程？
答：人类探索受控核聚变始于上世纪50年代 。 氢弹爆炸让人类看到了核聚变的巨大威力 。 1950年7月 ， 前苏联士兵奥列格 拉夫连季耶夫写信给斯大林建议发展受控核聚变能源 。 1951年1月前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫研制“环形磁笼”的建议获得批准 。 1951年美国莱曼 斯皮策建立普林斯顿等离子体物理实验室 ， 研制仿星器 。 冷战时期 ， 美国、前苏联和欧洲各自秘密开展受控核聚变的研究 ， 但很快发现十分困难 ， 于是决定公开交流 。
托卡马克是前苏联的阿齐莫维齐、萨哈罗夫等人发明的 。 1957年T-1托卡马克在莫斯科测量仪器科学实验室开始秘密研制 。 1958年9月 ， 日内瓦和平利用原子能大会上 ， 核聚变研究正式解密 。
1968年8月 ， 在前苏联新西伯利亚召开国际原子能机构聚变能大会 ， 阿齐莫维齐宣称T-3托卡马克电子温度达到一千万摄氏度 ， 比普林斯顿的仿星器的温度和约束时间高出了10倍多 。 西方世界不相信这一结果 。 阿齐莫维齐邀请英国卡尔汉姆实验室的一个小组带着当时世界最先进的汤姆逊散射测量系统到莫斯科来检验这一结果 。 次年 ， 测量结果比宣称的一千万摄氏度还要高出许多 ， 从此开启了托卡马克磁约束聚变高歌猛进的新时代 。 托卡马克装置如雨后春笋般建立起来 ， 全世界建了几十个装置 ， 而且越建越大 。 大家都知道个人电脑CPU芯片的更新速度很快 ， 但大家并不知道 ， 近50年托卡马克等离子体的性能提升速度比CPU芯片还要快 。
1982年在德国的ASDEX托卡马克装置上发现了等离子体高约束模式 ， 让人们看到了成功的希望 。 20世纪70年代后期到80年代中期 ， 国际上建成了三个较大的托卡马克装置：美国的TFTR ， 欧盟的JET和日本的JT-60U 。 1996年10月 ， 日本JT-60U达到等效能量得失相当 ， 即聚变产出的能量超过了输入的能量；这个装置曾达到4亿度的中心离子温度 ， 并申报了吉尼斯世界纪录 。 JET和TFTR开展了真正的氘氚聚变实验 。 这些实验证实了核聚变作为能源原理上的可行性 。
问：国际热核聚变实验堆（ITER）计划是怎么提出和演变的？
答：全世界60多年的核聚变研究 ， 为建造核聚变反应堆奠定了坚实的科学和技术基础 。 通过这些装置的实验 ， 人们发现 ， 要实现核聚变反应堆的自持燃烧条件 ， 需要建造一个很大的装置 ， 而且要用超导线圈 ， 其成本很高 。 开发聚变能是为了全人类共同的利益和未来 ， 超越了国界 。 于是 ， 全世界决定联合起来建造第一个聚变实验堆 ， 这就是ITER计划 。
ITER计划最初是美国和前苏联提出的 ， 作为缓和当年冷战情绪的举措之一 。 1985年日内瓦峰会戈尔巴乔夫和里根总统讨论ITER设想 。 1987年雷克雅维克峰会前苏联、欧盟、日本、美国达成协议 。 1988年在国际原子能机构资助下在维也纳启动概念设计 。 1992年开始工程设计 。 1998年 ， 基于低约束模式的ITER装置设计完成 ， 装置尺寸较大 ， 成本较高 ， 不幸赶上世界经济危机 ， 美国退出 。 2001年 ， 基于高约束模式的ITER装置设计完成 ， 装置直径缩小一半 ， ITER重组 。 2003年1月 ， 国务院批准我国参加ITER计划谈判 。 2005年6月28日ITER决定选址法国南部的卡特拉舍 。 2007年10月24日ITER国际组织正式成立 。
ITER于2007年启动建造 ， 其部件按各国出资比例由世界各地的顶级企业、科研院所和国家实验室承担研制 。 到2020年 ， 经过13年的努力 ， 其大部分的部件已研制完成 ， 陆续运抵法国 。 ITER装置主机大厅也已完工 。 不久前的7月28日 ， ITER重大工程安装正式启动 。 由中科院合肥研究院等离子体物理研究所、中核集团所属单位和法国相关科研单位组成的中法联合体击败竞争对手 ， 中标了ITER装置主机的总装合同 。 总装预计2025年底结束 ， 开始投入运行 。
ITER在拉丁语中有“道路”的意思 ， 意指人类探索终极能源的必由之路 。 ITER的设计和建造集人类60年的核聚变研究成果 ， 汇集了全球的聚变研究人才、智慧、资源和力量 ， 是人类迄今为止最庞大、最复杂、最困难的大科学工程 。 如果实验成功 ， 无疑将成为人类文明史上的又一个奇迹 。
问：我国的受控热核聚变研究进展如何？
答：早在上世纪90年代 ， 以霍玉平院士为首的中国老一辈磁约束聚变科学家就看到了超导托卡马克这一未来发展趋势 ， 从HT-7超导托卡马克开始 ， 开启了中国的超导核聚变实验装置研究之路 。 当时美国普林斯顿等离子体物理实验室设计了一个全超导的托卡马克TPX ， 可惜遇到经济危机 ， 没有付诸建造 。 1996年 ， 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所向国家提出了建造世界上首个全超导托卡马克——EAST（东方超环）的计划 。 EAST由中科院合肥研究院等离子体物理研究所自主设计建造 ， 于2006年建成 。
EAST装置虽然比ITER小 ， 但是EAST装置不仅具有类似ITER的超导托卡马克先进结构 ， 而且是目前国际上唯一具有全水冷装置内部部件和类似ITER的等离子体加热方式 ， 从而具有稳态运行能力的托卡马克实验装置 。 近十年 ， EAST实验在高约束等离子体运行时间上一直保持世界纪录 ， 产生了小幅度边界局域模高性能稳态运行模式等一批创新成果 ， 引领国际托卡马克稳态高约束物理研究 ， 获得了国家科技进步一等奖和创新团队奖 。 EAST使我国全面掌握了超导托卡马克的设计、建造、运行的关键技术 ， 为中国成功加入国际热核聚变实验堆ITER计划 ， 并出色完成ITER装置研制采购包任务 ， 做出了巨大的贡献 ， 也为下一步中国建造自己的聚变工程试验堆（CFETR）奠定了坚实的基础 。
人造太阳|世界最大“人造太阳”正式安装，受控核聚变研究走过了哪些路程？
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我国的“人造太阳”（EAST超导托卡马克）
来源 北京日报客户端|采访人员 王鸿良
编辑：蔡文清
【人造太阳|世界最大“人造太阳”正式安装，受控核聚变研究走过了哪些路程？】流程编辑：王梦莹


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